物理性污染控制-第二章-噪声污染及其控制-第2节声学基课件.ppt

1、第二节第二节 声学基础知识 o2.1 声音的产生和传播o2.2 声波的描述o2.3 声波的传播特性o2.4 声源的指向性2.1 声音的产生和传播物体的振动是产生声音的根源物体的振动是产生声音的根源。声源：声源：把产生声音的振动物体称作声源把产生声音的振动物体称作声源。点声源：声源尺寸远小于测点到声源距离时，声波以球面波形状较均匀地向各个方向辐射。线声源：如一列较长的列车；公路上长的车队等。面声源：如透过一个壁面向开阔空间传播。声波：声波：向前推进着的振动称为声波。向前推进着的振动称为声波。声场：声场：有声波传播的空间叫声场。有声波传播的空间叫声场。声音传播声音传播:声源、介质声源、介质声音传播

2、实质：声音传播实质：是物体振动形式的传播。是物体振动形式的传播。传播形式：传播形式：空气空气 纵波纵波固体、液体固体、液体 纵波、横波纵波、横波2.2.1 描述声波的基本物理量描述声波的基本物理量)2sin(ftx振幅位移位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大位移：物体离开静止位置的距离称为位移，最大的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。的位移叫振幅，振幅的大小决定了声音的大小。相位2.2 声波的描述声波的描述 1.周期（周期（T）：）：质点振动每往复一次所需要的时间，单位：秒（s）2.声波频率（声波频率（f）：）：一秒钟内媒质质点振动的次数，单位：赫兹(Hz)频率范频率范围围(Hz)

3、20000声音声音定义定义次次声声20-500 500-2000 2000-20000超超声声 低频声低频声 中频声中频声 高频高频音频声音频声3.波长：波长：在一列波中，偏离平衡位置的位移和速度总是相同的两个相邻质点间的距离叫做波长，或声源每振动一次，声波的传播距离。cTfcTf14.声速（声速（c）：）：振动在媒质中传播的速度。媒质名称空气水 混凝土 玻璃铁铅软木 硬木声速 344 1372 30483653 5182 1219 3353 4267室温时声速近似值（m/s）声速与温度关系声速与温度关系o 气体中的声速：气体中的声速：n c（331.450.61t）ms-1 n 其中其中33

4、1.45是是0度时声音在空气中速度，度时声音在空气中速度，就是说地面上温度每升高一度，声速增加就是说地面上温度每升高一度，声速增加约约0.61米秒米秒 o 气体分子运动的快慢和温度有关系，温度越气体分子运动的快慢和温度有关系，温度越高，运动越快，传递振动越快。高，运动越快，传递振动越快。也就是：也就是：温度越高，声速越大温度越高，声速越大。声速：固体声速：固体液体液体气体气体o 声速是介质特性的函数，不同介质中声速不声速是介质特性的函数，不同介质中声速不同。同。气体中的声速：气体中的声速：o 固体分子运动：固体分子运动：分子之间力的作用使分子在分子之间力的作用使分子在各自的平衡位置附近振动，平

5、衡位置不能改各自的平衡位置附近振动，平衡位置不能改变。由于分子间结合紧密，振动很容易从一变。由于分子间结合紧密，振动很容易从一个分子传递给另一个分子，导致声音在固体个分子传递给另一个分子，导致声音在固体中的速度大，传播快。中的速度大，传播快。00 pc ，比热比o 液体分子运动：液体分子运动：在平衡位置附近振动，但由于在平衡位置附近振动，但由于液体的流动性，平衡位置也可以移动。由于分液体的流动性，平衡位置也可以移动。由于分子间结合也很紧密，振动也容易从一个分子传子间结合也很紧密，振动也容易从一个分子传递给另一个分子，导致声音在液体中的速度较递给另一个分子，导致声音在液体中的速度较大，传播较快大

6、，传播较快。o 气体分子运动：气体分子运动：气体分子间距大，只有在相互气体分子间距大，只有在相互碰撞时才考虑作用力。一般情况下，分子运动碰撞时才考虑作用力。一般情况下，分子运动是自由运动，这就使气体不容易传递振动，因是自由运动，这就使气体不容易传递振动，因此，声音在气体中的速度小于液体和固体中的此，声音在气体中的速度小于液体和固体中的速度。速度。2.2.2 声波的物理量度声波的物理量度（1）声压声压：受声波的传播扰动，局部空气产生压缩或膨胀，压缩的地方压强增大，膨胀的地方压强缩小，这样在原来的大气压上产生压强的变化，此压强变化称声压。)(0PPp1.声压、声压级声压、声压级p 瞬时声压：瞬时声

7、压：声场中某一瞬时的声压值声场中某一瞬时的声压值p 峰值声压：峰值声压：一定时间间隔内最大一瞬时声压一定时间间隔内最大一瞬时声压值值p 有效声压有效声压（pe）：）：在一定时间间隔（周期的整数倍）中，瞬时声压对时间的均方根值。p 电子仪器测得的声压即有效声压。有效声压。TedttpTp02)(1o 闻阈声压：闻阈声压：正常人耳刚能听到声音的声压。正常人耳刚能听到声音的声压。o 痛阈声压：痛阈声压：刚刚引起正常人耳疼痛感觉的声刚刚引起正常人耳疼痛感觉的声音的声压。音的声压。o 对对1000Hz的声音，闻阈声压是的声音，闻阈声压是 210-5 Nm-2，痛阈声压是痛阈声压是20 Nm-2。（2）声

8、压级）声压级o 为什么要用“级”表征声音的大小？n 用声压绝对值表示声音强弱不方便。从闻阈声压210-5Pa到痛阈声压2101Pa，声压绝对值相差100万倍。采用与基准值的采用与基准值的相对值较方便。相对值较方便。o 级的概念：级的概念：1个量的级是这个量与同类基准值个量的级是这个量与同类基准值之比的对数，用之比的对数，用L表示。表示。0logXXLrr10时，级的单位为贝（耳），工程上常用分时，级的单位为贝（耳），工程上常用分贝表示级，符号为贝表示级，符号为dB。re时，级的单位为奈培(Np),1Np8.686dB表达式：声压级：该声音的声压与参考声压的比值取以10为底的对数再乘20，即：a

9、500a p210 peppp ；有效声压，基准声压，声压级单位：分贝，用声压级单位：分贝，用dB表示。表示。020lgePpLp 某些环境下的声压和声压级某些环境下的声压和声压级环境环境声压（声压（Pa）声压级（声压级（dB）锅炉排气放空，距喷口锅炉排气放空，距喷口1米米200140铆钉枪，大型罗茨风机铆钉枪，大型罗茨风机63130汽车喇叭，距人汽车喇叭，距人1米，大型球磨米，大型球磨机机20120柴油机柴油机6.3110离心风扇离心风扇0.6390公共汽车上公共汽车上0.2080城市噪声，街道上城市噪声，街道上0.06370普通说话普通说话0.02060电风扇，微电机附近电风扇，微电机附近

10、0.006350安静房间安静房间0.002040轻声耳语轻声耳语0.0006330树叶飘动声树叶飘动声0.0002020农村静夜农村静夜0.00006310常见的声压级范常见的声压级范围如右图所示：围如右图所示：2.声强和声强级：（1）声强：在声波传播方向上单位时间内垂直通过 单位面积的平均声能量，称为声强，用 I 表示，单位：瓦每平方米。p 声压和声强都是度量声音大小、强弱的物理量。声压和声强都是度量声音大小、强弱的物理量。声压是用力的关系说明声音的强弱，声强是声压是用力的关系说明声音的强弱，声强是用能用能 量的关系说明声音的强弱。量的关系说明声音的强弱。o 二者可以互相换算：二者可以互相换

11、算：式中：式中：，空气密度；，空气密度；C，声速；，声速；0 2e0PIc （2）声强级：该声音的声强与参考声强的比值取以10为底的对数再乘以10，即：0lg10IILI212200 W/m10IIIW m 声强，；基准声强，声强级单位：dB。3.声功率和声功率级（1）声功率：声源在单位时间内辐射的总能量，单位：瓦。意义：声功率是衡量声源输出声能量大小的基 本量，表征声源的特性，反映了声源的 本质，可用于鉴定各种声源。声功率与声强的关系SWI 球面辐射时：24 rWI波阵面面积p声强与声功率声强与声功率都衡量声波的能量都衡量声波的能量p声强声强随距声源距离的增加而降低，与环境有关随距声源距离的

12、增加而降低，与环境有关p声功率声功率是不变量，反映了声源的本质是不变量，反映了声源的本质（2）声功率级：该声音的该声音的声功率与参考与参考声功率的比值取以的比值取以10为底的对数再乘为底的对数再乘10，即：即：0lg10WWLW1200 W;10WWWW 声功率，基准声功率；。声功率级单位：dB声能密度：单位体积介质所含的声波能量，常采用一个周期内声能密度的平均值表示。202cpDe4.声能密度：区别于声强与声功率区别于声强与声功率声强：声强：单位时间单位面积的平均声能量单位时间单位面积的平均声能量声功率：声功率：单位时间内辐射的总的声能量单位时间内辐射的总的声能量5.频谱与频谱分析频谱与频谱

13、分析o 频谱：频谱：指组成声音的各种频率的分布图形。指组成声音的各种频率的分布图形。o 频谱分析：频谱分析：对噪声源发出声音的声压级对噪声源发出声音的声压级（声强（声强 级、声功率级）在各频率的分布特性进行级、声功率级）在各频率的分布特性进行分析，考察频谱特征。这种对噪声频谱特分析，考察频谱特征。这种对噪声频谱特征的分析叫做频谱分析。征的分析叫做频谱分析。o 频谱图：频谱图：以频率为横坐标，声压级（声强以频率为横坐标，声压级（声强 级、声功率级）为纵坐标，描述噪声强度级、声功率级）为纵坐标，描述噪声强度与频谱关系的图。与频谱关系的图。外弦外弦a1(440Hz)空弦音空弦音 内弦内弦d1(293

14、.67Hz)空弦音空弦音 二胡声音的频谱图二胡声音的频谱图声音频谱类型：声音频谱类型：n 线状谱：线状谱：一系列离散频率的纯音组成的频谱，一系列离散频率的纯音组成的频谱，频谱图是离散的竖直线段。频谱图是离散的竖直线段。一些乐器的声音、一些乐器的声音、周期或间断振动的声源产生的声音。周期或间断振动的声源产生的声音。与振动相同的声波频率称为基频；频率等于与振动相同的声波频率称为基频；频率等于基频整数倍的称为谐波频率。基频整数倍的称为谐波频率。n 连续谱：连续谱：声能连续分布在宽广的频率范围内，声能连续分布在宽广的频率范围内，形成一条连续的曲线谱线。形成一条连续的曲线谱线。大部分噪声属于连大部分噪声

15、属于连续谱。续谱。线状谱线状谱连续谱连续谱复合谱复合谱p 复合谱：既有连续声音频谱，又有离散线谱。听起来有明显的音调，称为有调噪声。在噪音控制中，频谱图中声压级较突出的部分及在噪音控制中，频谱图中声压级较突出的部分及其所对应的频率是重点控制的目标。其所对应的频率是重点控制的目标。常见噪声的频谱图n 频程：频程：为方便起见，通常将宽广的音频变化范围划分为若干个较小的频段，称为频程、频带或带宽。n 两个不同频率的声音作相对比较，有决定意义的是两个频率的比值，而不是它们的差值。nff212n倍频程f1、f2频程的上限频率和下限频率021ff f ffnn)212(各倍频程的中心频率：f1 f2=f,

16、称为带宽n=1，倍频程；n=2，2倍频程；n=1/3，1/3倍频程。6.总声压级的计算【自学自学P19-22】6.总声压级的计算（1）声强级和声功率级的相加：声强级和声功率级的相加：声强和声功声强和声功率表征的是能量，由于能量可以相加，所率表征的是能量，由于能量可以相加，所以，总声强或总声功率可以由各声源的代以，总声强或总声功率可以由各声源的代数相加得到，然后计算声强级和声功率级。数相加得到，然后计算声强级和声功率级。0010lg10lgiWWWLWW 0010lg10lgiIIILII 【自学自学P19-22】（2）声压级的相加）声压级的相加 n n个声源互不干涉个声源互不干涉(p24)22

17、2212.npppp 几种声音同时发生，则总的声压级不是各声压级几种声音同时发生，则总的声压级不是各声压级的简单算术和，而是按照能量的叠加规律，即压的简单算术和，而是按照能量的叠加规律，即压力的平方进行叠加。力的平方进行叠加。代入上式：12n0.10.10.1220101010pppLLLpp（）0lg20ppLp0.122010pLpp 2010lgppLp（）12ni20.10.10.120n0.1i 110lg10lg 101010 10lg10ppppLLLpLpLp 12n,10lgnppppppLLLLLL 若则P20例题1-2(展示用EXCEL解题2-2）21pppLLL令：11

18、0.10.110lg 1010pppLLLpL120.10.110lg 1010ppLLpL则：pppLLL12代入下式：得：计算噪声值的图解方法 10.110lg 110pLppLL 令：110.10.110lg 1010pppLLLpL1ppLLL pLL1.0101lg10声压级差声压级差Lp增值增值Lp0312.522.131.841.551.261.070.880.690.5100.411、120.313、140.2LpLp课本课本p20-21图表法计算总声压级1.把要相加的分贝值从大到小排列，按由大到小的顺序进行计算；2.用第一个分贝值减第二个分贝值，得Lp；3.由Lp查上图或上表

19、得Lp，然后按下式计算出第一、二个分贝值之和；4.用第一、二个分贝和之值再与第三个分贝值相加，依次加下去。1ppLLL 例例:某车间四台机床单独运转时声压级分别为某车间四台机床单独运转时声压级分别为97dB、95dB、100dB、80dB，试求车间内合成声压，试求车间内合成声压级。级。o 解一、计算法解一、计算法niLiL11010lg10总1080101001095109710101010lg10=102.6 dB10097Lp=1.8101.895Lp=0.8102.680Lp=0.1102.7解二解二:查表法查表法计算时先将声压级从大到小排列，再按由大到小计算时先将声压级从大到小排列，再

20、按由大到小的顺序进行计算。的顺序进行计算。合成声压级合成声压级P总总102.7 dB(3)声压级相减声压级相减o 用仪器测出的声源的声压级实际上是声源与用仪器测出的声源的声压级实际上是声源与背景噪声的总声压级。所以在有背景噪声的背景噪声的总声压级。所以在有背景噪声的环境中，声源的声压级无法直接测得，只能环境中，声源的声压级无法直接测得，只能根据总声压级和背景声压级求得。根据总声压级和背景声压级求得。0.10.110lg 1010pBpSLLpL0.10.110lg 1010ppBSLLpL仪器测量噪声声源真实噪声背景噪声in0.1i 110lg10pLpL 由由得得o 波阵面（波的基本几何形状

21、）：指空间同一时刻相位相同的各点组成的轨迹曲线。根据波振面的形状可将声波分为不同的类型。o 声线：常称为声射线，就是子声源发出的代表能量传播方向的直线，在各向同性的媒质中，声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂直的直线。2.2.3 声波的类型p 平面波：面声源形成的声波，如活塞在气缸中推拉p 球面波：点声源形成的声波，波阵面为同心球面p 柱面波：波阵面为同轴柱面。声压振幅沿轴向分布均匀，沿径向与距轴的距离平方根成反比声波的类型声波的类型类型类型波阵面波阵面声线声线声源类型声源类型平面声波平面声波垂直于传播方垂直于传播方向的平面向的平面相互平行相互平行的直线的直线 平面声源平面声源球面声波球面

22、声波以任何值为以任何值为半径的球面半径的球面点声源发出的点声源发出的半径线半径线 点声源点声源柱面声波柱面声波同轴圆柱面同轴圆柱面线声源发出的线声源发出的半径线半径线 线声源线声源1.1.平面声波平面声波：a.波动方程：222221tpcxp对于简谐振动而言：00,cos(),cos()p x tPtkxp x tPtkx 正向传播负向传播b.质点振动速度：对于简谐振动而言：0cos()/xAAAuutkxupc 质点振动的速度幅值c.声阻抗率：upZs/对于平面声波而言：对于平面声波而言：000/sZpuc 单位（Pas/m）声场中某位置的声压与该位置质点振动速率之比 声阻抗率仅与介质密度和

23、声速有关，是介质固有的常数;两种介质的声阻抗率将决定声波反射和透射的强度。u-u-振动速率振动速率c-c-波速波速d.声线：相互平行的一系列直线2.球面声波球面声波波阵面是以任何值为半径的同心球面。a.波动方程：22222)(1)(trpcrrp对于从球心向外传播的简谐球面声波而言：球面声波振幅（A/r）随传播距离的增加而减少，二者成反比关系。)cos()/(),(krwtrAtrpb.声线：是由声源点发出的半径线。3.柱面声波：波阵面为同轴圆柱面的声波称为柱面声波。a.波动方程：2221)(1tpcrprrr对远场简谐柱面声波而言：)cos(20krrtkrPp振幅随径向距离的增加而减少，与

24、距离的平方根成反比关系。b.声线：是由线声源发出的径向线。回顾回顾o 声压、声强、声功率声压、声强、声功率o 声压级、声强级、声功率级声压级、声强级、声功率级o 频谱和频谱分析频谱和频谱分析o 频程频程o 声波的类型：平面波、球面波、柱面波声波的类型：平面波、球面波、柱面波2.3 声波的传播特性o2.3.1 声波的反射、透射、折射 o2.3.2 声波的散射、衍射、干涉 o2.3.3 声波的叠加o2.3.4 声波在传播中的衰减2.3.1 声波的反射、透射、折射（发生在不同介质界面）1 1ci22cpiptprrt垂直入射垂直入射声波声波:发生发生反射反射和和透射透射斜入射斜入射声波：发生声波：发

25、生反射反射和和折射折射1.1.声波的反射定律与折射定律声波的反射定律与折射定律ri入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应入射声波、反射声波与折射声波的传播方向应该满足该满足Snell定律：定律：211sinsinsinccctria.a.反射定律反射定律：b.b.折射定律：折射定律：21sinsincctic.c.与折射定律有关的讨论与折射定律有关的讨论由折射定律可知：声波的折射由声速决定全反射：t=90折射波沿界面传播折射波沿界面传播思考(p27)1.为什么声音在晚上比晴朗的白天传播的远一点？2.为什么逆风传播的声音难以听清？2.2.反射系数和透射系数反射系数和透射系数a.声压的反射系数和

26、透射系数o 反射系数：反射声压与入射声压的比值。o 透射系数：透射声压与入射声压的比值。irpppr itppp3.3.吸声系数吸声系数定义：入射声波在界面上失去的声能（包括透射 到介质2中去的声能）与入射声能之比21rrp 的数值与入射方向有关，因此也与入射的方向有关。2.3.2 声波的散射、衍射、干涉1.声波的散射:o 声波传播过程中，遇到的障碍物表面较粗糙或障碍物的大小与波长差不多，则声波入射时，产生各个方向的反射，这种现象称为散射。o 声波的散射既与障碍物的形状有关，又与入射声波的波长有关。波长较短的波被散射得多。2.声波的衍射：声波传播过程中遇到障碍物或孔洞时，如果声波的波长比障碍物

27、尺寸大得多，声波会绕过障碍物而不改变传播方向，这种现象称为声波的衍射。两列波频率、振动方向相同且具有恒定相位差的声波，合成声仍是同一频率的振动，在空间某一些位置的振动始终加强，在另一些位置的振动始终减弱，这种现象称为声波的干涉现象干涉现象。产生干涉现象的声波称为相干波相干波，产生干涉现象的声源称为相干声源相干声源。两列频率相同，无固定相位差的声波，或者频率不同，相位差固定的两列波，或者有无规则变化相位差的两列波，都不产生干涉现象，称为不相干波相干波，不产生干涉现象的声源称为不相干声源相干声源。3.声波的干涉现象：声波的干涉现象声波的干涉现象4.声波的叠加相干声波的叠加 1.声压的叠加：2.能量

28、的叠加：21ppp21DDD不相干声波的叠加 1.声压的叠加：2.能量（平均声能密度）的叠加：22212ppp)cos(21202121cppDDDAA2.3.3 声波在传播中的衰减 声波在介质中传播时，由于扩散、吸收、散射等原因，离开声源的距离增加，声音逐渐减弱。1.扩散引起的衰减扩散衰减扩散衰减：由于波阵面的扩展而引起的声强随距离而减弱的现象称为扩散衰减。声波的扩散衰减与声源的形状有关a.点声源的扩散衰减点声源辐射的一般为球面波221120lgPPrLLr声压从r1处传播到r2处时的发散衰减：b.线声源的扩散衰减o r0L/，声源视为无限长线声源：o r0L/，线声源视为点声源。L测点Dr

29、0221110lgPPrLLr221120lgPPrLLrc.矩形面声源的扩散衰减 r0a/，声源辐射平面声波，声压不衰减。a/r0b/，面声源视为点声源。LabDr0ab2.空气吸收引起的附加衰减o 空气吸收：声波在空气中传播时，因空气的粘滞性和热传导，在压缩和膨胀过程中，使一部分声能转化为热能而损耗，称为空气吸收。这种吸收称为经典吸收。o 弛豫吸收：空气分子在一定状态下，平均能、转动能和振动能处于一种平衡状态。当有声扰动时，这三种能量发生变化，打破原来的平衡，建立新的平衡。这一过程需要一定的时间，并耗散声能，称为热弛豫吸收。（手撞击到海绵上，缓冲耗能）点声源在从r1处声压级 Lp1，传播到

30、r2处 Lp2，若声波衰减包括扩散衰减和空气吸收衰减，则22121120lgPPrLLrrr（-）对无限长声源，有22121110lgPPrLLrrr（-）3.地面吸收的附加衰减 当地面是非刚性表面时：地面吸收将会对声传播产生附加衰减，但短距离（30-50m）其衰减可以忽略，而在70m以上应予以考虑。声波在厚的草地上面或穿过灌木丛传播时，在频率为1000Hz时的附加衰减较大，可高达 25dB/100m。声波穿过树木或者森林时，不同树林的衰减相差很大，在1000赫兹时：o 浓密的常绿树树冠 23 dB/100mo 地面上稀疏的树干 3 dB/100m4.声屏障衰减 当声源与接收点之间存在密实材料

31、形成的障碍物时会产生显著的附加衰减，这样的障碍物称为声屏障。声波遇到屏障会产生反射、折射（或透射）和衍射现象。o 屏障的作用：n 阻挡直达声的传播，n 隔绝折射（或透射）声，n 并使衍射声有足够的衰减。o 声屏障的附加衰减与声源及接收点相对屏障位置、声屏障高度及结构以及声波频率密切相关。5.气象条件的影响o 雨、雪、露等对声波的散射会引起声能的衰减。但这种因素引起的衰减量很小，大约每1000m衰减不到0.5dB，因此可以忽略不计。o 风和温度梯度对声波传播的影响很大。2.4 声源的指向性o 声源的指向性：声源发出的声波，在各个方向上的声能（声压声强等）分布并不一定相同，这种随方向分布的不均匀性

32、，称为声源的指向性。o 指向性因数：声场中某点的声强，与同一声功率源在相同距离同心球辐射面上的平均声强之比：22IPQIP方向r处的声强、声压半径r的同心球面上平均声强、声压o 指向性指数：o 声源的指向性与声源的尺寸有关。o 声源的指向性与频率相关，频率高指向性强。2210lg10lg10lgIPDIQIPPPDILLQ=1或DI=0的声源称为无指向性声源几种典型声源的指向特性声源类型 辐射特性声压空间分布辐射效率点声源无指向性均匀高 线声源有一定的指向性声偶极子有很强的方向性不均匀低平面声源复杂的指向性分布回回 顾顾o 概念：相干波，声源的指向性概念：相干波，声源的指向性o 为什么声音晚上比晴朗的白天传播远一点？为什么声音晚上比晴朗的白天传播远一点？o 为什么逆风传播的声音难以听清？为什么逆风传播的声音难以听清？o 影响声波衰减的因素都有哪些方面？影响声波衰减的因素都有哪些方面？o 扩散衰减中，点声源、线声源、面声源的划扩散衰减中，点声源、线声源、面声源的划分原则。分原则。